CN113922211A - 一种火花塞和发动机 - Google Patents

Abstract

本发明针对现有技术中存在的火花塞容易过热烧蚀的技术问题，提供一种一种火花塞，包括设在绝缘体外周的主壳体和与金属尾罩相连的外侧壳体，所述外侧壳体设置在主壳体的外周，所述主壳体前端点与轴线正交的平面为A平面，所述外侧壳体的下支撑点与轴线正交的平面为B平面，所述A平面与B平面的距离为L，所述L满足下式：50*[H+(D‑d)/2]/λ+T≤L≤324*S/(80+λ)H+2T。该火花塞带有的预燃室在保证预燃室火花塞良好的点火性能的前提下，其散热良好的结构设计与材料选配方案，解决了火花塞过热问题。

Description

一种火花塞和发动机

技术领域

本发明属于发动机零部件技术领域，更具体地，涉及一种火花塞。

背景技术

火花塞是组装在内燃机中用于对空气燃料混合物进行点火的点火装置。传统的火花塞包括中心电极、绝缘体、壳体和接地电极。该绝缘体为陶瓷绝缘体，具有沿轴线方向延伸的轴孔，该中心电极插入贯穿该绝缘体的轴孔，该壳体套设在该绝缘体的表面，该接地电极与该壳体的端部连接，并延伸与中心电极相对，与中心电极之间形成火花放电的间隙。该中心电极与接地电极之间通过脉冲电力的作用产生电弧，进而产生电火花点燃电极周围的混合气体，达到自动点火的目的。

在点燃式的内燃机领域，已经运用的一种预燃室火花塞，其在火花塞的点火端设置了一个金属尾罩，金属尾罩上设置有开孔，并在金属尾罩内部空间形成预燃烧室，预燃室室内部设置有点火间隙，混合气经火花塞的间隙击穿点燃，并从金属尾罩的开孔处喷射出来，从而迅速引燃燃烧室内的混合气。

现有的技术手段并没有涉及到诸如如何确保预燃室火花塞不过热烧损等问题，尤其是当预燃室火花塞被运用到车辆上时，由于发动机小型化、高功率化，发动机的热工况更加恶劣，此时预燃室火花塞更容易由于过热而出现电极烧损。公开号为CN110867729A的发明专利公开一种火花塞，该火花塞设有预燃室，并具体公开了两个假设面的比例关系，用以提高火花塞的点火性能，但对火花塞的过热问题仍然没有解决。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明提出一种火花塞，在保证预燃室火花塞良好的点火性能的前提下，提供一种散热良好的结构设计与材料选配方案，以解决火花塞过热问题。

本发明采用如下技术方案：

一种火花塞，包括设在绝缘体外周的主壳体和与金属尾罩相连的外侧壳体，所述外侧壳体设置在主壳体的外周，所述主壳体前端点的投影与轴线正交的平面为A平面，所述外侧壳体的下密封面的投影与轴线正交的平面为B平面，所述A平面与B平面的距离为L，所述L满足下式：50*[H+(D-d)/2]/λ+T≤L≤324*S/(80+λ)H+2T，

式中，D为外侧壳体螺纹外径，d为主壳体螺纹外径，H为火花塞侧电极伸出主壳体端面轴向投影高度，T为外侧壳体密封面至其螺纹起始点的高度，λ为外侧壳体导热系数，S为外侧壳体螺纹前端点至B平面的距离，其中1.8mm≤H≤8mm，0mm≤T≤4mm,1mm≤(D-d)/2≤3mm。

进一步的，所述火花塞包括中心电极、侧电极，所述绝缘体具有沿轴线延伸有轴孔，所述中心电极设置在所述轴孔内，所述侧电极设置在主壳体的前端，并弧形延伸至与所述中心电极放电面相对位置并形成间隙，所述主壳体带侧电极端伸入外侧壳体内部并通过螺纹固定。

进一步的，所述外侧壳体螺纹前端设有金属尾罩，所述金属尾罩上至少设置一个通孔。

进一步的，所述外侧壳体螺纹前端点至B平面的距离S大于17.5mm。

进一步的，所述外侧壳体导热系数λ高于主壳体导热系数，λ的区间为45～400W/(m.k)。

进一步的，所述外侧壳体导热系数λ的区间为80～330W/(m.k)。

进一步的，所述主壳体材料为低碳钢，所述外侧壳体材料为铜/镍合金。

进一步的，所述外侧壳体安装螺纹为M14，所述L的长度满足以下任一数值：

①λ为45W/(m.k)时，所述L长度为7.61～15.96mm；

②λ为80W/(m.k)时，所述L长度为4.94～13.13mm；

③λ为330W/(m.k)时，所述L长度为2.33～6.95mm；

④λ为400W/(m.k)时，所述L长度为2.19～6.38mm。

外侧壳体安装螺纹为M12，所述L的长度满足以下任一数值：

①λ为45W/(m.k)时，所述L长度为7.06～24.6mm；

②λ为80W/(m.k)时，L设置在4.63～19.88mm之间；

③λ为330W/(m.k)时，L设置在2.26～9.59mm之间；

④λ为400W/(m.k)时，L设置在2.13～8.63mm之间。

进一步地，L尺寸在3～20mm时，火花塞综合性能较佳，过小的L尺寸会影响中心电极安装尺寸；L过大则会使发动机油耗增加。

本发明还提供发动机，采用上述任一火花塞。

本发明所述的前端和后端，是将靠近中心电极的一端作为前端，将相反的一端作为后端。

本发明的带有预燃室的火花塞设置主壳体前端点、外侧壳体的下支撑点分别与轴线正交的两平面为合理的距离，对主壳体、外侧壳体与外密封垫圈选用导热系数逐级变高的材料，并对主壳体、外侧壳体选择合适的螺纹规格及长度等，使火花塞的散热更快，不致于过热损伤，提高火花塞的寿命，而且该火花塞还兼具油耗经济性的优点。

附图说明

图1为本发明带有预燃室的火花塞的结构部分剖视图；

图2为图1所示火花塞放电点火部分的结构放大图。

1、中心电极；2、绝缘体；3、主壳体；4、侧电极；5、密封垫圈一；6、外侧壳体；7、金属尾罩；8、密封垫圈二。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明。除非特别说明，本发明实施例中采用的原料和方法为本领域常规市购的原料和常规使用的方法，导热系数均指20℃时的导热系数，本发明所述的前端和后端，是将靠近中心电极的一端作为前端，将相反的一端作为后端。

如图1、图2所示，一种火花塞，设有预燃室，包括设在绝缘体外周的主壳体、与金属尾罩相连的外侧壳体、中心电极、侧电极，绝缘体具有沿轴线延伸有轴孔，中心电极设置在所述轴孔内，侧电极设置在主壳体的前端，并延伸至与所述中心电极放电面相对形成间隙，主壳体带侧电极端伸入外侧壳体内部并通过螺纹固定，即外侧壳体设置在主壳体的外周，外侧壳体螺纹前端设有金属尾罩，金属尾罩上至少设置一个通孔(优选的，金属尾罩前端圆弧面上均布四个通孔，端面布置一个通孔)。主壳体通过外侧螺纹与外侧壳体固定在一起，并通过热传导向外侧壳体散热，同时固定在外侧壳体前端的金属尾罩也向外侧壳体散热。密封垫圈一5将主壳体3的座部与外侧壳体6的座部之间的间隙密封；密封垫圈二8将该火花塞与内燃机之间的间隙密封起来。

需要注意的是，外侧壳体螺纹前端点至B平面的距离S大于17.5mm(外侧壳体与缸头的接触面积越大越有利于火花塞散热)；外侧壳体导热系数λ高于主壳体导热系数，密封垫圈一、二5、8导热系数高于主壳体导热系数，比如，主壳体材料为低碳钢(具有优秀的冷镦和机械加工性能，同时具有足够的强度)，外侧壳体及金属尾罩材料为铜/镍合金，密封垫圈一、二材料选用铜合金或铝合金等。其中，主壳体的外表面的螺纹公称直径可选M12、M10、M8等，外侧壳体螺纹公称直径对应主壳体依次可选M14、M12、M10等。

定义主壳体前端点的投影与轴线正交的平面为A平面，外侧壳体的下密封面的投影与轴线正交的平面为B平面，定义A平面与B平面的距离为L，并使L满足下式：

50*[H+(D-d)/2]/λ+T≤L≤324*S/(80+λ)H+2T，

式中，D为外侧壳体螺纹外径，d为主壳体螺纹外径，H为火花塞侧电极伸出主壳体端面轴向投影高度，T为外侧壳体密封面至其螺纹起始点的高度，λ为外侧壳体导热系数，S为外侧壳体螺纹前端点至B平面的距离，其中1.8mm≤H≤8mm，0mm≤T≤4mm,1mm≤(D-d)/2≤3mm。

该预燃室火花塞中A平面和B平面的距离L为其结构设计的核心点，L过大则点火性能下降，不能够有效发挥预燃室火花塞的结构优势；L过小则火花塞散热差，直接影响火花塞正常使用，甚至过热烧损。本发明通过大量的试验数据摸索，采用归纳法，发现了火花塞侧电极伸出高度H影响L的选择，H大，则火花塞越容易过热，另一方面H大，侧点火位置较高，有利于点火性；外侧壳体螺纹处的壁厚(D-d)/2也是影响L选择的因子，双方呈现正相关性，壁厚越厚，散热距离越长火花塞越容易过热；而外侧壳体的材料选择是影响L的选择的关键因子，材料的导热系数λ越小，火花塞散热能力越差，越容易过热；同时L的设计也和外侧壳体螺纹长度S呈现正相关性，当S增大时，L的选择可以增大；外侧壳体密封面至其螺纹起始点的高度T(退刀槽)本身是不利于火花塞散热的，但退刀槽是火花塞加工时必然存在的数据，因此L的设计选择以T为基础，即应该加上T，最大则不能超过2T。经过大量的试验，对各个参数进行各种组合，对散热性能、点火性能以及强度进行测试，发现L在下限设计时与火花塞侧电极伸出高度H加上外侧壳体螺纹处壁厚(D-d)/2成正比，与导热系数λ成反比，经过计算和统计发现之间呈50倍数关系；最后再加上退刀槽高度T，即：{H+(D-d)/2}*50/λ+T≤L。L在上限设计时，与外侧螺纹长度S成正比，此时与侧电极伸出高度H成反比，与导热系数λ加上常数80后成反比，在试验中发现，S与H、(80+λ)之间的比例关系达到324倍时，满足火花塞过热性能的最大尺寸。退刀槽的尺寸同样影响过热性能，最大不能超过2倍退刀槽高度，即：324*S/(80+λ)H+2T。形成了如下公式：

50*[H+(D-d)/2]/λ+T≤ L ≤324*S/(80+λ)H+2T， (1)

满足本公式内各个参数H、T、(D-d)可以任意组合，均能达到优良的过热性能，但上述参数选择时，均应当是本领域的常规尺寸的选择，即：1.8mm≤H≤8mm，0mm≤T≤4mm，1mm≤(D-d)/2≤3mm。

通过实施例以及试验数据的验证，L在满足该式的条件下时，设计的预燃室火花塞具有优越的散热性能和点火性能。

实施例1

选取带有预燃室火花塞与发动机的安装螺纹为M14，螺纹长度S为17.5mm，(即外侧壳体螺纹公称直径D为14mm，外侧壳体螺纹前端点至B平面的距离为19mm)，主壳体螺纹公称直径d为10mm，火花塞侧电极伸出高度H为3.5mm，外侧壳体退刀槽高度T为1.5mm。

当外侧壳体选用导热系数λ为45W/(m.k)的碳钢时，L的设计范围满足式(1)，应为：7.61～15.96mm。

接下来分别进行如下散热效果、点火性能验证实验：

(1)选取1.8L汽油发动机为试验机，进行侧电极端面温度对比(侧电极端面温度为该类火花塞温度最高度)，采用热电偶测温方法在相同发动机工况下进行温度对比试验，温度设低(≤600℃)、中(600℃～700℃)、高(700℃～800℃)、超高(800℃～1000℃)四档，具体对比如下表1：

表1

可见，温度为中档以下的L值应在7.61mm以上，设计为满足当前条件的L时，该火花塞的散热效果是较好的。但L的长度增加，火花塞的燃油经济性越差，油耗将大幅提高，火花塞在满足散热性能时，还必须兼具节约油耗的性能，下面对油耗性能进行试验。

点火性能验证：

选取1.8L发动机进行点火性能验证，试验条件为发动机以2000rpm，节气门全开的工况下运行1个小时，点火性能越好则发动机燃油消耗率越低，选取未采用预燃室结构的发动机原配火花塞为对比，将其燃油消耗率设定为高，并对油耗分成超低等、低等、中等、高等、超高等五档，其中超低等是指在上述试验条件下，燃油消化率在210g/(kW.h)以下；低等是指燃油消化率在210～218g/(kW.h)之间，中等是指燃油消化率在219～226g/(kW.h)之间，高等是指燃油消化率在227～234g/(kW.h)之间，超高等是指燃油消化率在234g/(kW.h)以上。

具体对比数据如下：

表2

实际应用中的发动机，考虑经济性，油耗不应超过中等，可见，油耗中等以下的L应满足不超过15.96mm。

兼具散热性能和油耗较低的性能，实施例1中L长度应设在7.61～15.96mm之间。

实施例2

保持实施例1中的结构设计不变(各参数相同)，但将外侧壳体换成导热系数λ为80W/(m.k)的镍合金时，满足式(1)的L的设计范围为：4.94～13.13mm。

同样的，进行散热效果与点火性能验证，结果分别见表3、表4：

	温度：低	温度：中	温度：高	温度：超高
					L＝0				√
L＝2			√
					L＝4			√
L＝4.94		√
					L＝8		√
L＝10		√
					L＝12		√
L＝13.13	√
					L＝16	√
L＝18	√
					L＝20	√

表3

表4

可知，实验结论与实施例1相同。

实施例3

保持实施例1中的结构设计不变(各参数相同)，但将外侧壳体换成导热系数λ为330W/(m.k)的铜合金时，满足式(1)的L的设计范围为：2.33～6.95mm。

同样的，进行散热效果与点火性能验证，结果分别见表5、表6：

	温度：低	温度：中	温度：高	温度：超高
					L＝0			√
L＝2.33		√
					L＝4		√
L＝6		√
					L＝6.95	√
L＝10	√
					L＝12	√
L＝14	√
					L＝16	√
L＝18	√
					L＝20

表5

	油耗：超低	油耗：低	油耗：中	油耗：高	油耗：超高
						L＝0	√
L＝2.33	√
						L＝4	√
L＝6	√
						L＝6.95		√
L＝10		√
						L＝12			√
L＝14			√
						L＝16			√
L＝18				√
						L＝20					√

表6

可知，实验结论与实施例1、2相同，且油耗更低。

实施例4

保持实施例1中的结构设计不变(各参数相同)，但将外侧壳体换成导热系数λ为400W/(m.k)的铜材质时，满足式(1)的L的设计范围为：2.19～6.38mm。

同样的，进行散热效果与点火性能验证，结果分别见表7、表8：

表7

	油耗：超低	油耗：低	油耗：中	油耗：高	油耗：超高
						L＝0	√
L＝2.19	√
						L＝4	√
L＝6.38		√
						L＝8		√
L＝10		√
						L＝12			√
L＝14			√
						L＝16			√
L＝18				√
						L＝20					√

表8可知，结论与实施例3相同。

为了保证带有预燃室火花塞可靠的安装，设计壳体强度验证，针对实施例1-4的方案进行对比实验，将壳体强度设为高、中、低三档，对比数据如下表9：

	壳体强度：低	壳体强度：中	壳体强度：高
				碳钢			√
镍合金		√
				铜合金		√
铜	√

表9

综上，考虑安装后的壳体强度、散热效果与点火性能，L的设计范围应满足式，外侧壳体的材质优选为铜合金或镍合金。

实施例5

选取带有预燃室火花塞与发动机的安装螺纹为M12，即：外侧螺纹公称直径D为12mm，螺纹长度S为25mm，主壳体螺纹公称直径d为8mm，侧电极高度H为3mm，外侧壳体退刀槽高度T为1.5mm，当外侧壳体选用导热系数λ为45W/(m.k)的碳钢时，L的设计范围，应为：7.06～24.6mm。

接下来分别进行如下散热效果、点火性能验证实验：

(1)选取1.5L汽油发动机为试验机，进行侧电极端面温度对比(侧电极端面温度为该类火花塞温度最高度)，采用热电偶测温方法在相同发动机工况下进行温度对比试验，温度设低、中、高、超高四档，具体对比如下表10：

表10

(2)选取1.5L发动机进行点火性能验证，点火性能越好则发动机油耗越低，选取未采用预燃室结构的发动机原配火花塞为对比，将其油耗设定为高，并对油耗分成超低、低、中、高、超高四档，具体对比数据如下表11：

	油耗：超低	油耗：低	油耗：中	油耗：高	油耗：超高
						L＝0	√
L＝2	√
						L＝4	√
L＝6		√
						L＝7.06		√
L＝10		√
						L＝12			√
L＝14			√
						L＝16			√
L＝18			√
						L＝20			√
L＝22			√
						L＝24.6			√
L＝26				√
						L＝28					√

表11

实施例6

保持实施例5中的结构设计不变(各参数相同)，但将外侧壳体换成导热系数λ为80W/(m.k)的镍合金时，满足式(1)的L的设计范围为：4.63～19.88mm。

同样的，进行散热效果与点火性能验证，结果分别见表12、表13：

	温度：低	温度：中	温度：高	温度：超高
					L＝0				√
L＝2			√
					L＝4.63		√
L＝6		√
					L＝8		√
L＝10		√
					L＝12		√
L＝14	√
					L＝16	√
L＝18	√
					L＝19.88	√
L＝22	√
					L＝24	√
L＝26	√
					L＝28	√

表12

表13

实施例7

保持实施例5中的结构设计不变(各参数相同)，但将外侧壳体换成导热系数λ为330W/(m.k)的铜合金时，满足式(1)的L的设计范围为：2.26～9.59mm。

同样的，进行散热效果与点火性能验证，结果分别见表14、表15：

	温度：低	温度：中	温度：高	温度：超高
					L＝0			√
L＝2.26		√
					L＝4		√
L＝6		√
					L＝8	√
L＝9.59	√
					L＝12	√
L＝14	√
					L＝16	√
L＝18	√
					L＝20	√
L＝22	√
					L＝24	√
L＝26	√
					L＝28	√

表14

	油耗：超低	油耗：低	油耗：中	油耗：高	油耗：超高
						L＝0	√
L＝2.26	√
						L＝4	√
L＝6		√
						L＝8		√
L＝9.59		√
						L＝12			√
L＝14			√
						L＝16			√
L＝18			√
						L＝20			√
L＝22			√
						L＝24			√
L＝26				√
						L＝28					√

表15

实施例8

保持实施例5中的结构设计不变(各参数相同)，但将外侧壳体换成导热系数λ为400W/(m.k)的铜材质时，满足式(1)的L的设计范围为：2.13～8.63mm。但由于L的长度低于3mm时，将影响中心电极的设置距离，影响火花塞的正常工作，因此，火花塞的实际L的距离应设在3mm以上。

同样的，进行散热效果与点火性能验证，结果分别见表16、表17：

表16

	油耗：超低	油耗：低	油耗：中	油耗：高	油耗：超高
						L＝0	√
L＝2.13	√
						L＝4	√
L＝6		√
						L＝8.63		√
L＝10		√
						L＝12			√
L＝14			√
						L＝16			√
L＝18			√
						L＝20			√
L＝22			√
						L＝24			√
L＝26				√
						L＝28					√

表17

针对实施例5-8的方案进行对比实验，将壳体强度设为高、中、低三档，对比数据如下表18：

	壳体强度：低	壳体强度：中	壳体强度：高
				碳钢			√
镍合金		√
				铜合金		√
铜	√

表18

综上，考虑安装后的壳体强度、散热效果与点火性能，L的设计范围应满足式(1)，外侧壳体的材质优选为铜合金或镍合金。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种火花塞，其特征在于，包括设在绝缘体外周的主壳体和与金属尾罩相连的外侧壳体，所述外侧壳体设置在主壳体的外周，所述主壳体具有螺纹，所述螺纹前端点的投影与轴线正交的平面为A平面，所述外侧壳体的密封面的投影与轴线正交的平面为B平面，所述A平面与B平面的距离为L，所述L尺寸为：50*[H+(D-d)/2]/λ+T≤L≤324*S/(80+λ)H+2T，

式中，D为外侧壳体螺纹外径，d为主壳体螺纹外径，H为火花塞侧电极伸出主壳体端面轴向投影高度，T为外侧壳体密封面至其螺纹起始点的高度，λ为外侧壳体导热系数，S为外侧壳体螺纹前端点至B平面的距离，其中1.8mm≤H≤8mm，0mm≤T≤4mm，1mm≤(D-d)/2≤3mm。

2.根据权利要求1所述一种火花塞，其特征在于，所述火花塞包括中心电极、侧电极，所述绝缘体具有沿轴线延伸的轴孔，所述中心电极设置在所述轴孔内，所述侧电极设置在主壳体的前端，并延伸至与所述中心电极放电面相对位置并形成间隙，所述主壳体带侧电极端伸入外侧壳体内部并通过螺纹固定。

3.根据权利要求2所述一种火花塞，其特征在于，所述外侧壳体螺纹前端设有金属尾罩，所述金属尾罩上至少设置一个通孔。

4.根据权利要求3所述一种火花塞，其特征在于，所述外侧壳体螺纹前端点至B平面的距离S大于17.5mm。

5.根据权利要求1所述的一种火花塞，其特征在于，所述外侧壳体导热系数λ高于主壳体导热系数，λ的区间为45～400W/(m.k)。

6.根据权利要求5所述一种火花塞，其特征在于，外侧壳体安装螺纹为M14，所述L的长度满足以下任一数值：

①λ为45W/(m.k)时，所述L长度为7.61～15.96mm；

②λ为80W/(m.k)时，所述L长度为4.94～13.13mm；

③λ为330W/(m.k)时，所述L长度为2.33～6.95mm；

④λ为400W/(m.k)时，所述L长度为2.19～6.38mm。

7.根据权利要求5所述一种火花塞，其特征在于，外侧壳体安装螺纹为M12，所述L的长度满足以下任一数值：

①λ为45W/(m.k)时，所述L长度为7.06～24.6mm；

②λ为80W/(m.k)时，L设置在4.63～19.88mm之间；

③λ为330W/(m.k)时，L设置在2.26～9.59mm之间；

④λ为400W/(m.k)时，L设置在2.13～8.63mm之间。

8.根据权利要求1所述一种火花塞，其特征在于，所述L长度为3～20mm。

9.根据权利要求1所述的一种火花塞，其特征在于，所述外侧壳体材料为铜合金或镍合金。

10.一种采用权利要求1-9任一火花塞的发动机。

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